碼頭工程建設對長江中游典型河段水流影響的數值模擬研究

　　摘要：為了研究碼頭工程建設對荊江公安河段河道水流的影響，通過建立平面二維水流數學模型，計算分析了工程建設前后附近河段的水位、流速變化情況。結果表明：工程建設對其所在河段的水位和流速影響較小，不會對工程河段河勢、行洪帶來較大影響。建立的二維水流數學模型可準確模擬工程河段水流運動特性，可為研究工程前后河道水流、水位變化提供較為可靠的依據。

　　關鍵詞：水位;流速;數學模型;碼頭工程;公安河段;長江中游

　　1概況

　　1.1河段概況

　　長江是我國第一大河流，其干支流通航里程已超過6.5萬km，占全國內河的52%，水運量占80%，是溝通我國東、中、西部地區的水路運輸大動脈，在流域經濟社會發展中具有極其重要的地位，素有“黃金水道”之稱。目前，長江干線已成為世界上運輸最繁忙、運量最大的通航河流。與其他交通運輸方式相比，長江水運具有占地少、成本低、能耗小、污染輕、運能大、效益高等優勢。隨著水運經濟的發展，長江沿岸碼頭工程的數量越來越多，碼頭對附近水域產生的阻水作用很有可能對該河段的河勢及行洪產生影響。因此，研究碼頭建設對其所在河段水流的影響極為必要。本文以荊江公安河段左岸某碼頭工程為例，采用平面二維水流數學模型，對工程建設前后的河道水流流速、水位的變化情況進行了模擬計算，為該河段工程建設提供技術支撐。

　　長江公安河段上起觀音寺，下止新廠，全長約54km，由陡湖堤河彎、郝穴河彎及過渡段組成，河型為微彎分汊。據歷史資料記載，白元朝至1756年，陡湖堤至郝穴河段為單一的微彎河段，從觀音寺到馬家寨，河道緊靠現在的荊江大堤。1830年后，隨著陡湖堤河彎南岸不斷崩塌，河面不斷展寬，逐漸形成突起洲。郝穴河彎中的采石、白沙、新淤、新泥和白腳等5個江心洲將河道分為左、右兩汊，左汊為主河槽，右汊即黃水套。1852年起，郝穴一帶開始實施護岸，由于歷年泥沙的不斷淤長，采石洲等5個江心洲逐漸聯成一個整體，成為現在的南五洲。近30a來，公安河段河勢演變基本平穩，岸線、深泓及灘槽位置相對穩定。隨著三峽水庫蓄水運用，大量泥沙被攔截在庫內，下泄泥沙量大幅度減少，公安河段沖刷強度普遍增[1-2]，公安河段河勢見圖1。

　　1.2工程概況

　　碼頭工程位于荊州市江陵縣郝穴鎮城區上游，長江左岸的郝穴作業區，對應荊江大堤樁號為鄂江左712+492-712+960。上距在建的荊州長江公鐵大橋約4.5km、距沙市水文站約45km，下距江陵縣城約3km。

　　碼頭工程水工建筑物主要為4個3000噸級貨運泊位，包括高樁直立式碼頭1座，浮碼頭2座(見圖2)。為了減少碼頭對荊江大堤的不利影響，碼頭采用順岸布置，碼頭前沿線與上游中航糧油綜合碼頭前沿線呈折線，夾角為174°，布置丁21-22m等高線附近，與水流方向基本一致。泊位總長468m。

　　高樁碼頭平臺長220m，寬25m，頂標高40.5m。碼頭平臺通過2座引橋和1條皮帶機廊道分別與大堤和后方陸域廊道相接，上游1號固定引橋長58.4m，寬12m，下游2號固定引橋長75m，寬12m，2座引橋與大堤平交后，通過下堤道路與規劃道路連接。皮帶機廊道布置在1號固定引橋的上游側，采用多跨鋼引橋結構跨堤，并與后方陸域廊道對接。

　　浮碼頭每個泊位從江側往大堤方向均設置1艘75.0mx16.0m(長×寬)鋼質躉船、2座鋼撐桿系統、1座60mx4.5m(長×寬)活動鋼引橋和1座轉運樓墩臺，墩臺頂高40.77m。兩個轉運樓墩臺之間各通過1座鋼引橋連接到2號轉運樓墩臺，墩臺頂高程47.70m，2號轉運樓墩臺通過固定鋼引橋與后方陸域連接，引橋全長360.74m，寬8m。

　　2模型原理

　　本次數學模型基于正交曲線坐標系下沿水深平均的平面二維水流運動方程組，微分方程的數值離散采用有限體積法[3-8]。定解條件包括初始條件與邊界條件，邊界條件為上游給定垂線平均流速沿河寬的分布，下游出水位沿河寬的分布。對于岸邊界，則采用水流無滑移條件，即取岸邊水流流速為0。在計算時，由計算開始時刻上、下邊界的水位確定初始條件，初始流速取0，隨著計算的進行，初始條件的偏差將逐漸得到修正，對最終計算結果的精度不會產生影響[9]。

　　3模型建立與驗證

　　3.1模型建立

　　模型選取觀音寺附近至茅林口全長約49.15km的河段作為二維數學模型的計算區域(見圖1)。計算河段的地形資料采用2016年10月實測地形資料。

　　計算網格采用正交曲線網格，在工程河段布置600x120個網格，其中ξ方向網格數600個，平均斷面間距8lm;η方向網格數120個，平均網格寬度約33m。同時，為使網格大小與工程實際尺寸一致，對工程附近的局部河段進行了網格加密處理。

　　3.2模型驗證

　　采用2014年12月該河段實測的水面線與垂線平均流速資料進行水位與流速驗證。水位驗證成果見表1，流速驗證成果見圖3。水位、流速計算值與實測值基本一致，水位誤差大部分在5cm以內，流速誤差在0.1m/s之內，符合JST/T231-4-2018《內河航道與港口水流泥沙模擬技術規程》要求。因此，模型中相關參數的取值是合理的，可以模擬碼頭修建對河道水位與垂線平均流速的影響。

　　4工程影響計算分析

　　4.1工程概化

　　碼頭工程主要阻水建筑物為樁柱、墩臺，在防洪設計洪水時還有現澆承臺及部分引橋橋面。為在模型中反映碼頭工程對河道水流的影響，在網格剖分時，盡可能在碼頭附近對網格進行局部加密，同時采用局部地形修正與局部糙率調整來進行概化處理。

　　推薦閱讀：《水資源保護》雜志是河海大學和環境水利研究會合辦的科學技術期刊。該刊以宣傳貫徹國家水資源保護方針政策，反映國內外水資源保護先進科學技術，促進我國水資源保護和管理以及水環境保護工作為宗旨。